당신의 자동차가 당신을 보고 있습니다. 편집증이나 공상 과학 소설이 아닙니다. 이것은 고급 운전자 지원 시스템(ADAS) 혁신에서 중요한 역할을 합니다. 자동차 안전성과 주행 효율성을 높이기 위해 설계된 ADAS 기술은 차량 내부와 외부의 상태를 모두 모니터링하여 사고를 사전에 예방하고 최적의 편안함을 보장합니다.
자동차 내부에서 운전자 모니터링 시스템(DMS)과 점유 모니터링 시스템(OMS)은 ADAS의 핵심 구성 요소입니다. 이러한 세심한 눈은 운전자와 승객의 상태와 행동을 관찰하여 안전과 편안함을 보장합니다. DMS와 OMS를 통해 주의 산만, 운전자 피로, 심지어 방치된 어린이나 반려동물의 존재까지 감지할 수 있으며, 이는 도로 사고를 줄이는 ADAS 목적에 중요한 역할을 합니다. 또한 운전자 인증을 위한 제스처 제어 및 얼굴 인식과 같은 기능을 활성화하여 사용자 경험을 높이는 데에도 사용할 수 있습니다.
DMS와 OMS는 본질적으로 고급 머신 비전 시스템이며 그 효과는 사용되는 조명 기술에 따라 크게 달라집니다. 전통적으로 발광 다이오드(LED) 조명기는 카메라와 센서에 필요한 조명을 제공했습니다.
그러나 ADAS 기술이 발전함에 따라 설계자는 DMS와 OMS 구성 요소를 더 효율적이고 안정적으로 만들기 위해 노력하고 있습니다. 특히 설계자는 까다로운 조명 조건과 넓은 온도 범위에서 작동하는 성능을 향상시키고 싶어 합니다. 또한 3D 센서 기능을 포함하는 등 시스템 기능을 높이길 원합니다. 이 모든 것으로 인해 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)를 광원으로 탐구하게 되었습니다.
향상된 깊이 인식부터 최소한의 '적색광' 방해에 이르기까지 LED에 비해 수많은 장점을 제공하는 VCSEL은 ADAS의 이러한 중요한 구성 요소를 변화시킬 준비가 되어 있습니다. 여기에서는 DMS와 OMS에서 조명의 필수적인 역할을 탐구하고 LED 기술의 한계를 살펴보며 자동차 안전에서 ADAS의 기능을 높이는 데 있어 VCSEL의 혁신적인 잠재력에 대해 논의하도록 하겠습니다.
모니터링 시스템의 기본
DMS와 OMS는 전반적인 구성 측면에서 거의 유사합니다. 근적외선 광원을 사용하여 관심 영역을 조명하고 카메라, 센서를 사용하여 장면을 이미지화한 다음 다양한 처리 하드웨어와 소프트웨어를 사용하여 보고 있는 내용을 해석합니다. 근적외선 빛은 눈에 보이지 않기 때문에 운전자의 주의를 산만하게 하거나 시야를 손상시키지 않지만 여전히 저렴한 센서를 사용하여 쉽게 감지할 수 있습니다.
그러나 DMS와 OMS는 세부 사항이 다릅니다. DMS의 주요 기능은 운전자의 행동과 경보 상태를 모니터링하는 것입니다. 따라서 DMS는 일반적으로 운전자가 있을 것으로 예상되는 자동차 내 제한된 영역만 조명하고 확인합니다. DMS는 운전자의 눈 움직임, 머리 위치, 심지어 심박수와 같은 생리학적 지표에 대한 데이터를 되돌려줄 수도 있습니다. 이를 통해 운전자에게 주의 산만함이나 졸음 등 잠재적 위험 행동을 감지하고 경고하여 사고 위험을 크게 줄일 수 있습니다.
OMS는 이 모니터링을 자동차의 모든 승객으로 확대 적용합니다. 이 시스템은 각 탑승자의 존재, 크기, 위치를 평가하여 충돌 시 에어백 전개와 같은 안전 기능을 최적화합니다. 어린이나 반려동물과 같은 보호가 필요한 승객을 감지하는 데 특히 중요합니다.
Coherent는 운전 모니터링 시스템(DMS), 점유 모니터링 시스템(OMS) 및 동작 인식과 같은 넓은 조명 필드(FOI)가 필요한 3D 감지 작업을 위한 광범위한 VCSEL 어레이 제품을 제조합니다.
조명의 개념
근적외선 LED 조명기는 여러 가지 이유로 차량 실내 모니터링 시스템의 중심이 되었습니다. 첫째, 다양하게 사용 가능하고, 널리 알려져 있으며, 검증된 기술입니다. 또한 다른 조명 기술에 비해 비용 효율적입니다. LED는 에너지 효율이 높으며, 특히 전기 자동차(EV)와 같은 자동차 응용 분야에서 중요합니다. 또한 컴팩트하고 내구성이 뛰어나고 안정적이며 수명이 깁니다.
이러한 이점에도 불구하고 LED에도 한계가 있습니다. 또한 이러한 단점은 DMS와 OMS가 발전함에 따라 더욱 두드러집니다.
LED의 주요 문제점 중 하나는 소위 '적색광'입니다. LED는 상대적으로 넓은 스펙트럼의 빛을 방출합니다. 따라서 피크 출력이 눈에 보이지 않는 적외선에서 940nm에 있더라도 여전히 가시적인 적색광을 방출할 수 있습니다. 적색광은 특히 야간이나 기타 저조도 조건에서 시각적으로 운전자를 방해하거나 주의를 산만하게 할 수 있습니다. 미적으로도 바람직하지 않을 수 있습니다.
대부분의 레이저 소스와 마찬가지로 VCSEL은 거의 단색 출력을 생성합니다. 940nm VCSEL은 가시광선을 거의 생성하지 않습니다. 적색광이 없습니다.
스펙트럼이 좁은 VCSEL의 출력은 LED에 비해 또 다른 이점을 제공합니다. 특히 VCSEL과 광학 '대역통과 필터'를 연결하여 장면에서 주변광(태양광 및 인공 소스 모두)을 제거하는 것이 훨씬 쉽습니다. 주변 밝기로 인해 모니터링 시스템에 소음과 오류가 발생하여 잘못된 판독이 발생하거나 정확도가 저하될 수 있습니다.
대역통과 필터는 특정 범위의 파장만 전송하는 카메라 시스템에 배치된 광학 구성 요소입니다. VCSEL과 함께 사용하면 대역통과 필터는 피크 방출 파장 주변의 매우 작은 범위를 제외한 거의 모든 것을 거부할 수 있습니다. 이를 통해 매우 밝은 주변광(직사광선 등)이 있는 경우에도 적절하게 작동할 수 있습니다. 반면에 LED는 훨씬 더 넓은 대역통과 필터를 사용해야 모든 빛이 통과할 수 있습니다. 그러나 이로 인해 의도하지 않은 주변광이 더 많이 통과할 수도 있습니다.
또한 VCSEL은 온도 변화에 노출될 때 LED보다 더 일관된 파장과 출력 전력을 유지합니다. 이러한 안정성은 시스템이 광범위한 온도에 노출된 경우에도 일관된 결과를 제공한다는 것을 의미하므로 자동차 응용 분야에서 매우 중요합니다. 또한 온도 변화에 따른 VCSEL의 파장 안정성은 좁은 대역통과 필터와 함께 사용할 수 있는 능력을 더욱 높입니다. 그렇지 않으면 VCSEL 출력이 필터의 통과대역 밖으로 이동하여 시스템 효율성이 저하될 수 있습니다.
VCSEL은 레이저 소스의 또 다른 주된 특징을 가지고 있습니다. 즉, 상대적으로 좁은 각도 범위에 걸쳐 출력하는 매우 작은 소스로 보입니다. 반면에 LED는 기본적으로 전체 반구에 걸쳐 방출됩니다. 출력 범위를 좁히려는 모든 계획은 결국 빛을 버리는 결과를 낳게 됩니다.
이를 통해 VCSEL의 각도 출력을 카메라 시스템의 시야에 쉽게 일치시킬 수 있습니다. 다시 말해서, VCSEL은 원하는 영역만 밝히고, 빛 손실 없이 빛을 발산합니다. 이는 일반적으로 센서에서 동일한 유효 조명 수준을 달성하기 위해 훨씬 더 많은 전력이 필요한 LED에 비해 효율성이 크게 향상됩니다.
VCSEL의 또 다른 특징은 DMS와 OMS가 LED를 기반으로 하는 현재 시스템의 기능을 훨씬 뛰어넘는 기능을 가능하게 한다는 것입니다. 특히 이는 VCSEL의 출력을 매우 빠른 속도(50MHz 이상)로 변조(펄스)하는 기능입니다. LED는 이 범위에 들어갈 수도 없습니다.
이 고속 펄스의 이점은 3D 센서에 사용할 수 있다는 것입니다. 이는 직접 비행 시간(dToF) 또는 간접 비행 시간(iToF) 기술을 사용하여 수행할 수 있습니다. dToF 방식은 단순히 VCSEL 펄스가 물체에서 튕겨 센서로 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정합니다. 시간 측정은 물체까지의 거리를 계산하는 데 사용됩니다. iToF에서 시스템은 반사된 광파의 위상 변이를 사용하여 거리를 결정합니다. 이 최신 접근 방식은 주변광 간섭이나 빠른 거리 계산의 필요성과 같은 요인으로 인해 dToF 방식의 사용이 더 어려워지거나 정확도가 떨어지는 경우 더 효과적일 수 있습니다.
Coherent는 DMS와 OMS에서 LED를 VCSEL로 전환하면 시스템 효율성과 성능이 향상될 것이라고 믿습니다. 그리고 더 중요한 것은 이러한 구성 요소의 기능을 크게 업그레이드할 수 있다는 것입니다. Coherent는 이미 높은 전력, 신뢰성, 효율성에 중점을 두고 다양한 응용 분야를 위한 세계 최고의 VCSEL 생산업체 중 하나입니다. 또한 수직적 통합을 통해 ADAS 설계자가 이 기술의 이점을 최대한 활용할 수 있는 AEC-Q102 준수 VCSEL 및 조명 모듈을 제작하고 패키지화할 수 있습니다.
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